FORZE ED EQUILIBRIO: EQUILIBRIO DI UNA GUIDA OMOGENEA
(SCHEDA DOCENTE)
Una guida omogenea è incernierata in un punto che si trova sulla verticale del
centro di massa: un centro di simmetria intorno a cui può ruotare. Se su una parte della
guida, inizialmente in equilibrio in posizione orizzontale, viene aggiunto un peso, la
guida comincia a ruotare attorno al suo fulcro. Per raggiungere l’ equilibrio rotazionale
della guida è necessario attenersi alla condizione data dalle equazioni cardinali per cui
la somma dei momenti deve essere nulla. E’ opportuno aver chiaro il concetto di
momento per una corretta interpretazione dell’ esperienza, anche se tuttavia è possibile
introdurre tale concetto proprio mediante questo tipo di esperimento, e più in generale
mediante esperimenti in cui è importante la distanza rispetto al fulcro in cui agiscono le
forze (leve). Per spiegare l’ equilibrio rotazionale si utilizza la condizione di equilibrio
rotazionale data dalle equazione cardinali, in base alla quale la somma vettoriale di tutti
i momenti delle forze rispetto al fulcro deve essere nulla.
Materiale utilizzato:
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Una guida orizzontale omogenea con degli inserti per posizionare i pesi
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Degli oggetti che possano fungere da peso come rondelle di varie
dimensioni, di cui però sia conosciuto il peso
Obiettivi:
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Caratterizzare vettorialmente una forza
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Saper calcolare il momento di una forza
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Saper sommare vettorialmente i momenti delle forze
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Determinare le condizioni di equilibrio di un sistema
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Individuare le grandezze fisiche che caratterizzano il fenomeno
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Ricavare la regola per l’ equilibrio rotazionale
Metodi didattici
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Attività di laboratorio
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Lezione partecipata
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Lezione frontale
(A) INTRODUZIONE ALL’ ESPERIMENTO
Si spiega che lo scopo dell’ esperimento è mostrare l’ equilibrio della guida orizzontale,
cercando di caratterizzare i momenti in gioco.
(B) ESEMPIO DI EQUILIBRIO ORIZZONTALE DELLA GUIDA
L’ insegnante posiziona un peso sulla guida per far vedere come si crei la rotazione
della guida attorno al suo fulcro. Poi si posiziona un altro peso per bilanciare i momenti
ed equilibrare orizzontalmente la guida. I due pesi devono essere uguali posizionati
alla stessa distanza dal fulcro ma da parti opposte
Si presenta così una prima condizione di equilibrio per la guida orizzontale
(C) TROVARE L’ EQUILIBRIO CON PIU’ PESI
L’ insegnante posiziona da entrambe le parti della guida, in maniera tale che comunque
guida non sia in equilibrio orizzontale. Per esempio si può posizionare un peso a
distanza 2 sulla destra e l’ altro a distanza 1 sulla sinistra. Si chiede allo studente di
posizionare opportunamente un altro pesetto uguale a i precedenti per equilibrare
orizzontalmente la guida.
Si vuol far pervenire mediante prove e ragionamento alla condizione di equilibrio, per
poi trarre una legge generale
(D) REGOLA GENERALE PER L’ EQUILIBRIO ROTAZIONALE
L’ insegnante chiede se esiste una regola generale per trovare immediatamente la
condizione di equilibrio. Eventualmente si spiega che per posizionare velocemente il
pesetto si devono misurare i momenti (spiegando eventualmente cosa è il momento)
delle varie forze peso, e considerare che per avere l’ equilibrio orizzontale la somma
vettoriale dei momenti deve essere complessivamente nulla.
Spiegare allo studente che questa condizione sui momenti garantisce l’ equilibrio
rotazionale, per un qualsiasi corpo.
(E) ALTRI ESEMPI DI EQUILIBRIO CON VARI PESI
Si lascia lo studente “giocherellare” con i pesi per trovare più configurazioni di
equilibrio: in questo caso è però necessario utilizzare a ragione la regola sull’
annullamento della somma dei momenti, invece di trovare l’ equilibrio per prove o
supposizioni.
La prova pratica della regola è utile per essere più facilmente memorizzata.